Спектроскопия возбуждения лазерным пробоем или Лазерная Искровая Эмиссионная Спектроскопия (ЛИЭС/LIBS) — перспективный аналитический инструмент разведки месторождений полезных ископаемых.
Анализатор ЛИЭС (англ. LIBS) имеет множество атрибутов, благодаря которым он стал привлекательным инструментом для анализа целого множества геологических материалов в лабораторных и полевых условиях. ЛИЭС позволяет анализировать материалы в любом агрегатном состоянии (твердые, жидкие, газообразные) в режиме реального времени и практически без подготовки образца.
ЛИЭС прошла по типичной «дуге» технологического развития. С момента появления в 1960-х годах и почти весь период своего существования ЛИЭС была технологией для лабораторных исследований.
Однако в начале 2000-х такое положение дел начало меняться, что было вызвано следующими усовершенствованиями: компактными лазерными источниками, подачей и сбором света по оптическому волокну, разработками оптики с пучками малого диаметра, а также миниатюризацией спектрометров высокого разрешения, микроэлектроники и компьютеров, что привело параллельно к появлению коммерческих лабораторных ЛИЭС-систем, мобильных ЛИЭС-устройств, портативных ЛИЭС-анализаторов для химического анализа в режиме реального времени за пределами лаборатории.
В работе, отчёт о которой публикуется в этой статье, использовались анализаторы Z-300 или Z-500 (предшествующая модель). Оба прибора оснащены встроенными камерами для наведения пучка, станцией трансляции для 3D растрирования на поверхности образца и системой подачи инертного газа. Приборы имеют широкие спектральные диапазоны: 190–950 нм (Z-300) и 180–675 нм (Z-500).
У модели Z-300 типичные пределы обнаружения большинства элементов варьируются от десятков до сотен частей на миллион (при усреднении по всем точкам сбора на образце за счет функции растрирования). Бинарное присутствие или отсутствие конкретных элементов (например, золота), которые, как правило, распределены в образцах неравномерно, наблюдается при более низких концентрациях, особенно при растрировании с высокой плотностью.
Мы использовали новый метод ЛИЭС-картирования на серии золотоносных жил месторождения МакЛеллан, Лин Лейк (Манитоба, Канада). Необходимые для картирования ЛИЭС-спектры были получены в среде аргона с неподготовленной поверхности сечения буровой колонки. Детальные полевые и лабораторные исследования позволили идентифицировать многочисленные поколения жил и подвергшиеся гидротермальным изменениям ассоциации минералов на месторождении МакЛеллан.
Многие из связанных с золотом минералов в этих жилах дают характерные LIBS-спектры. Таким образом, портативные LIBS-приборы можно использовать для нахождения спектра, идентифицирующей области серий жил и ореола их гидротермальных изменений в локальных условиях непосредственно на поверхностях выпиленного керна.
Итоги и перспективы на будущее
Разведка месторождений полезных ископаемых сталкивается с огромными проблемами: как повысить темпы открытий, как снизить затраты на поисковые работы в тех условиях, когда в ближайшем будущем ископаемые придется добывать в более глубоких, более скрытых и/или «бедных» месторождениях. Для решения этих проблем и удовлетворения потребностей в критически важных сырьевых товарах требуются новые методы и технологии.
Недавние достижения в разработках лабораторного и портативного LIBS-оборудования создают не имеющий себе равных потенциал для содействия работам по разведке месторождений посредством проведения ускоренных количественных и качественных анализов «в поле», в реальных условиях, практически без подготовки образцов.
Выше уже упоминалось, что качественные широкополосные LIBS-спектры в правильном сочетании с методами хемометрии можно использовать для достижения следующих целей:
• Обнаружение геохимических следов для решения задач классификации и/или дифференцирования. При условии наличия спектральной библиотеки такие геохимические следы используются для идентификации и успешного прогнозирования происхождения минералов промышленного назначения и отслеживания их источников.
• Растрирование лазером на поверхности образца с целью преобразования спектров в геохимические снимки, показывающие распространение элементов. Картирование элементов является более предпочтительным методом сбора данных для микроаналитической геохимии, применение которого до недавнего времени было ограничено лишь научными исследованиями.
• Получение практически полных геохимических характеристик индивидуальных точек и анализ карт при концентрациях от % по весу до частей на миллион в рамках пределов обнаружения элементов, так как все элементы периодической таблицы связаны с одной или несколькими длинами волн излучения — от 190 до 900 нм.
• Анализ лёгких химических элементов (например, B, Be, Li, Na и Mg), к которым LIBS наиболее чувствительна, что является одним из основных преимуществ LIBS-анализаторов над портативным оборудованием, основанным на других технологиях.
• Проведение полуколичественного/количественного геохимического анализа, основанного на корректной калибровке. Правила ЛИЭС-калибровки приводятся…, и …они становятся перспективными инструментами картирования скрытых геохимических следов второстепенных и следовых элементов, которые не обнаруживаются геофизическими методами или не выявляются напрямую.
Специфические черты ЛИЭС, которыми не обладают другие приборы, делают его важным автономным инструментом геологоразведчиков. Однако будущее ЛИЭС может частично зависеть от так называемых тандемных или комбинированных технологий, воплощающих в одном чувствительном элементе целое множество аналитических инструментов.
Например, комбинированные ЛИЭС-системы и лабораторное оборудование для масс-спектрометрии с лазерной абляцией и индуктивно связанной плазмой сочетают в себе превосходную чувствительность масс-спектрометрии для обнаружения элементов с концентрациями до частей на миллиард или нг/г, что дает дополнительное преимущество для анализа легких химических элементов.
Текст: Рассел С. Хармон — Департамент наук о море, земле и атмосфере, Университет штата Северная Каролина, США;
Кристофер Дж. M. Лоли — Министерство природных ресурсов Канады, Геологическая служба Канады;
Джордан Уоттс — Школа экологии, Университет Уинсдор, Канада;
Кэссэди Л. Хэррэдэн — Компания Corescan Pty Ltd., Канада;
Эндрю M. Сомерс — SciAps Inc., 7 Конститьюшн Вей, Вуберн, Массачусетс 01801, USA;
Ричард Р. Харк — Институт сохранения культурного наследия, Йельский университет, США.
SciAps Russia
sciaps-russia.ru
info@sciaps-russia.ru
+7 499 350 66 50
Часть статьи, опубликованной в журнале Minerals
Спасибо!
Теперь редакторы в курсе.